DE19516504A1 - Windkraftmaschine mit Drehachse im wesentlichen rechtwinkelig zur Windrichtung, insbesondere Vertikalrotoren-Windgeneratorsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit Drehachse im wesentlichen rechtwinkelig zur Windrichtung, insbesondere ein Vertikalrotoren-Windgeneratorsystem.

Es sind rotorbetriebene Windkraftmaschinen mit Drehachse im wesentlichen in Windrichtung bekannt, die die kinetische Energie des Windes mit einem relativ guten Wirkungsgrad aus­ nutzen. Eingesetzt werden hauptsächlich propellerartige Roto­ ren, die durch eine Windfahne auch bei wechselnden Windrich­ tungen senkrecht zur Windrichtung gestellt werden. Nachteilig an solchen Anlagen ist es, daß die Rotorgröße durch die Ge­ schwindigkeit an den Rotorblattenden und die auftretende Lärmbelästigung begrenzt ist. Auch können Winde aus rasch wechselnden Richtungen nur entsprechend dem Trägheitsverhal­ ten der Windausrichtungseinrichtungen genutzt werden. Ferner sind aufwendige Verstelleinrichtungen an den Rotoren aufgrund der ständig wechselnden Windstärken erforderlich. Nicht zu­ letzt wird bei bei entsprechender Größe der Anlage der Luft­ raum und die bodenständige Umwelt gefährdet.

Alternativ sind rotorbetriebene Windkraftmaschinen mit Dreh­ achse im wesentlichen rechtwinkelig zur Windrichtung bekannt, vorzugsweise mit vertikaler Achse. Diese nutzen zwar Winde aus allen Richtungen und jeder Stärke trägheitslos aus, haben aber insgesamt noch einen verbesserungswürdigen Wirkungsgrad.

In der DE 30 01 385 A1 ist zur besseren Windausnützung eine Anlage beschrieben worden, bei der um das eigentliche Windrad Windkanäle aus Beton etwa strahlenförmig angeordnet sind. Sie dienen als Windfänger.

Bei einer weiteren Vorrichtung mit einem als Luftauffänger wirkenden senkrecht stehenden Stator, der einen mit Flügeln ausgestatteten Rotor umgibt, besteht der Stator aus einem Kranz schräg gestellter Windleitflächen (DE-OS 29 18 181). Die Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt sich dadurch, daß der Stator den Wind über eine Umfangfläche von 180° und seine gesamte Höhe aufnimmt.

Auch nach der DE 32 26 749 A1 ist ein Windrotor mit einem Luftleitstator vorgesehen, wobei der Windrotor aus einem mit ca. 40° abgewinkelten Luftstromleitlamellen versehenen äuße­ ren Luftstromleitstator und einem zylinderförmigen, innerhalb des Luftstromleitstators vorgesehenen Windrotors mit Windro­ torantriebslamellen besteht. Den Luftstromleitlamellen fällt die Aufgabe zu, die Luftströmung gegen die Windrotorantriebs­ lamellen zu leiten, um durch die dadurch erreichte größere Anblasfläche eine höhere Nutzung der Windkraft zu erreichen.

Ferner ist aus der DE-OS 28 35 927 noch ein Windleitschaufel- Transformator bekannt, bei dem ein schrauben- oder turbinen­ ähnlicher Rotor von feststehenden oder beweglich angeordneten Windleitschaufeln umgeben ist. Die Anordnung dient dazu, die Luftströmung aus beliebiger Himmelsrichtung zu erfassen und so nach innen zu leiten, daß diese den Rotor in einer Rich­ tung antreibt, wobei die abströmende Luft den Rotor nach oben und/oder unten zur Seite hin verläßt und die nicht erfaßte, auf die Windleitschaufeln auftreffende, Luftströmung so nach außen abgelenkt wird, daß nur ein verschwindend kleines Ge­ gendrehmoment am Rotor aufkommen kann. Nach einer Ausfüh­ rungsform lassen sich die auf dem Stator angebrachten Wind­ leitschaufeln gemeinsam oder einzeln über Antriebe mit Arre­ tierungsvorrichtungen mehr oder weniger tangential verstel­ len.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad von Windkraftmaschinen der eingangs beschriebenen Art weiter zu verbessern und auf aufwendige Windleiteinrichtungen zu verzichten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vor­ teilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 an­ gegeben.

Indem der äußere Rotor zugleich als Antrieb und Windleitein­ richtung für einen zweiten, inneren Rotor arbeitet, wird auch der Winddruck in Durchlaßrichtung des äußeren Rotors genutzt. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage verbessert sich dadurch erheblich.

Nach einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der äußere Rotor eine Vielzahl von radial angeordneten Tragwerkelementen auf, beispielsweise zwölf, an denen peri­ pherieseitig tangential ausgerichtete, gekrümmte Schaufeln angeordnet sind. An den äußeren Rotor angepaßt besitzt der innere Rotor einige, beispielsweise drei, radial angeordnete, gekrümmte Schaufeln. Diese Schaufeln werden auf der Durchlaß­ seite des Rotors, der den Hauptanteil der Energie erzeugt, vom Wind beaufschlagt, wodurch sie sich im Gegensinn drehen.

Für kleinere Anlagen wird zweckmäßigerweise vorgesehen, daß beide Rotoren einen gemeinsamen Generator antreiben. Hierbei wird der Generator durch den inneren Rotor über ein inneres Antriebsrad und durch den äußeren Rotor über ein äußeres An­ triebsrad angetrieben.

Für spezielle Windkraftmaschinen kann es auch von Vorteil sein, daß jeder Rotor einen separaten Generator antreibt.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips des Rotorsystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des äußeren Rotors und seiner Drehrichtung,

Fig. 3 ein schematische Darstellung des inneren Rotors und seiner Drehrichtung,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Rotorsystems mit Anschluß ei­ nes Generators.

Das Rotorsystem nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus zwei entgegengesetzt zueinander drehenden Rotoren, einem äußeren Rotor 1 und einem inneren Rotor 2.

Zur Umwandlung des anliegenden Winddrucks sind, wie in Fig. 2 verdeutlicht, an der Tragkonstruktion des äußeren Rotors 1, ausgehend von der Peripherie, gekrümmte Schaufeln befestigt, deren Stellung stark tangential ausgerichtet ist. Durch die Krümmung der Schaufeln entsteht auf der "Durchlaßseite" (Fig. 1) ein Durchströmkanal gleichbleibenden Querschnitts. Auf der "Druckseite" (Fig. 1) dagegen wird, bedingt durch die stark tangentiale Ausrichtung der Schaufeln, eine nahezu geschlos­ sene Front quer zur Windrichtung gebildet. Das ermöglicht ei­ nen für Vertikalrotoren sehr guten Wirkungsgrad. Der äußere Rotor kann somit auch einzeln betrieben werden.

Der innere Rotor ist gemäß Fig. 3 sehr einfach aufgebaut. Er ermöglicht die Nutzung der auf der "Durchlaßseite" (Fig. 1) des äußeren Rotors einströmenden Luft. Da der innere Rotor sozusagen gekapselt ist und in seiner Bewegung gegen den an­ liegenden Winddruck völlig abgeschirmt wird, kann die ein­ strömende Luftmasse ebenfalls mit sehr gutem Wirkungsgrad ge­ nutzt werden.

Für das Gesamtsystem ergibt sich somit ein für Vertikalroto­ ren ungewöhnlich hoher Ausnutzungsgrad der anliegenden Windenergie.

Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, wirkt ein fest mit der Tragkonstruktion für die Schaufeln des äußeren Rotors 1 verbundener Drehkranz 3, beispielsweise ein Zahnkranz, auf eine Abtriebsrolle, beispielsweise ein Zahnrad. Zusätzlich wird diese Abtriebsrolle durch ein Antriebsrad 4, beispiels­ weise wiederum ein Zahnrad, das auf der Welle des inneren Ro­ tors 2 befestigt ist, angetrieben. Durch eine entsprechende Wahl der Durchmesser der einzelnen Räder können die Drehzahl­ unterschiede zwischen dem äußeren Rotor 1 und dem inneren Ro­ tor 2 aufeinander abgeglichen und eine für den Betrieb eines angetriebenen Generators 5 günstige Übersetzung erzielt wer­ den. In diesem Falle sind beide Rotoren 1, 2 miteinander ge­ koppelt. Dadurch wird nur ein Generator 5 benötigt, was für kleinere Windkraftanlagen interessant ist.

Selbstverständlich können die Lasten auch einzeln abgenommen werden, wozu die beiden Rotoren 1, 2 mechanisch entkoppelt werden. Es sind dann zwei Generatoren 5 einzusetzen, bei­ spielsweise angetrieben über Zahnriemen. Damit kann bei­ spielsweise neben einer Gleichstromquelle (innerer Rotor 2) eine Drehstromquelle (äußerer Rotor 1) gespeist werden.

Einzelne Rotorsysteme können segmentartig zu Türmen und ähn­ lichen Modifikationen und damit zu äußerst leistungsfähigen Einheiten zusammengefaßt werden. Insgesamt ist ein sehr viel­ fältiger Einsatz der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen gege­ ben.

Claims (7)

1. Windkraftmaschine mit Drehachse im wesentlichen rechtwin­ kelig zur Windrichtung, insbesondere Vertikalrotoren-Windge­ neratorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorsystem aus einem äußeren Rotor (1) und einem inneren Rotor (2) be­ steht und beide Rotoren (1, 2) sich unter Windlast entgegen­ gesetzt zueinander um eine gemeinsame Drehachse drehen.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rotor (1) eine Vielzahl von radial angeordne­ ten Tragwerkelementen aufweist, an denen peripherieseitig tangential ausgerichtete, gekrümmte Schaufeln angeordnet sind.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rotor (2) aus einer Minderzahl von radial angeordneten, gekrümmten Schaufeln aufgebaut ist.

4. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rotor (1) zwölf Schaufeln und der innere Rotor (2) drei Schaufeln besitzt.

5. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rotoren (1, 2) einen gemeinsamen Generator (5) an­ treiben.

6. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Generator (5) durch den inneren Rotor (2) über ein inneres Antriebsrad (4) und durch den äußeren Rotor (1) über ein äußeres Antriebsrad (3) angetrieben wird.

7. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (1, 2) einen separaten Generator antreibt.